JP6126181B2 - Light switch - Google Patents
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Description
本発明は、大容量光通信ネットワークを支えるための重要な光部品である光スイッチに関する。 The present invention relates to an optical switch that is an important optical component for supporting a large-capacity optical communication network.
近年、通信トラフィックの急激な増大に起因して、電気ルータの膨大な電力消費量が大きな課題となっている。そこで、ルータ内において入力光(光パケット)を光のまま所望の出力ポートにパケット毎にスイッチングするN入力N出力(以下、N×Nとする)光スイッチが提案されており、これは、例えば、40Gbit/sや100Gbit/sなどの高速なビットレートの光パケット信号を光−電気変換及び電気−光変換を必要とせずにスイッチングできるため、ルータの低消費電力化や低遅延化に有効な光部品として期待されている。 In recent years, the enormous power consumption of electrical routers has become a major issue due to the rapid increase in communication traffic. In view of this, an N-input N-output (hereinafter referred to as N × N) optical switch that switches input light (optical packet) as it is to a desired output port for each packet in a router has been proposed. , Because it can switch optical packet signals with a high bit rate such as 40 Gbit / s and 100 Gbit / s without requiring optical-electrical conversion and electrical-optical conversion, which is effective for reducing power consumption and delay of routers. Expected to be an optical component.
N×N光スイッチは、例えば、図13に示すように、N個の1×N光スイッチ1311〜131NとN個のN×1光カプラ1321〜132Nを接続することで構成できる。光入力ポートPI1〜PINより入力された入力光(光パケット)は、1×N光スイッチ素子1311〜131Nにより、所望の光出力ポートPO1〜PONに接続されたN×1光カプラ1321〜132Nに向けて出力され、所望の光出力ポートPO1〜PONから出力光として出力される。
The N × N optical switch can be configured, for example, by connecting
このようなN×N光スイッチを構成する光スイッチ素子の従来技術として、例えば、下記の特許文献1に示す2×2光スイッチ素子が提案されている。図14に従来の2×2光スイッチ素子の斜視図を示す。図14に示した従来の2×2光スイッチ素子は、方向性結合器型の光スイッチ素子であり、n−InP基板6上に、光入力部(図中のI)、光スイッチ部(同II)、光出力部(同III)及び光吸収部(同IV)を設けた構成となっている。
As a prior art of an optical switch element constituting such an N × N optical switch, for example, a 2 × 2 optical switch element shown in
より詳細に説明すると、従来の2×2光スイッチ素子は、n−InP基板6上に、i−MQW層5、i−InPクラッド層4、p−InPクラッド層3が順に積層され、p−InPクラッド層3は、図14に示すような構造で、細線状に形成されている。更に、光スイッチ部IIの一方のp−InPクラッド層3上及び光吸収部IVの両方のp−InPクラッド層3上には、p+−InGaAsキャップ層2が形成され、p+−InGaAsキャップ層2上に各々p形電極1、10、11が形成されている。n−InP基板6の裏面にはn型電極7が形成されている。なお、符号9は、電気的分離溝である。
More specifically, in the conventional 2 × 2 optical switch element, an i-
光パケットなどの入力信号光は、i−MQW層5内の、細線状に形成されたp−InPクラッド層3の下部に位置する部分を導波する。以下、光入力部I、光スイッチ部II、光出力部III及び光吸収部IVに設けたp−InPクラッド層3の下部に位置するi−MQW層5を、それぞれ入力光導波路、光スイッチ導波路、出力光導波路及び光吸収導波路と呼ぶこととする。
Input signal light such as an optical packet is guided through a portion of the i-
入力信号光は、いずれか一方の入力光導波路(図中のA又はB)に入力され、光スイッチ導波路に導かれる。光スイッチ導波路では、光スイッチ部IIに設けたp形電極1とn型電極7との間に所望の電圧を印加することにより、例えば、多重量子井戸(Multiple Quantum Well: MQW)構造に起因する量子井戸閉じ込め効果(Quantum Confined Stark Effect: QCSE)により、p形電極1下方の光スイッチ導波路の屈折率を変えることで、いずれか一方の光スイッチ導波路からのみ信号光を出力する。即ち、光路切り替えを行う。
Input signal light is input to one of the input optical waveguides (A or B in the figure) and guided to the optical switch waveguide. In the optical switch waveguide, a desired voltage is applied between the p-
光吸収部IVでは、信号光が入力された光吸収導波路と異なる光吸収導波路に設けたp形電極10又は11と、n型電極7との間に、所望の電界が印加される。これにより、光スイッチ導波路から漏れ出たクロストーク光は光吸収導波路で吸収される一方、光スイッチ導波路から出力された信号光は出力光導波路(図中のC又はD)へ導かれる。このように、光吸収部IVを備えることにより、光スイッチ導波路からの漏れ光の影響を低減可能な光スイッチ素子を実現している。
In the light absorption part IV, a desired electric field is applied between the p-
図14に示した従来の光スイッチ素子の構造を用いて1×N光スイッチを構成するには、図15に示すように、2×2光スイッチ1511〜1513(図14では光スイッチ部IIの光カプラ)をツリー状に配置し、N個の各光出力ポートPO1〜PO4に電界印加光吸収ゲート1521〜1524を設ける手法が考えられる。なお、図15ではN=4の場合を図示している。光入力ポートPI1から入力された入力信号光は、2×2光スイッチ1511〜1513の光路切り替えにより、所望の光出力ポートPO1〜PO4の1つ(図中ではPO1)に導波される。一方、それ以外の光出力ポートPO1〜PO4(図中ではPO2〜PO4)では、電界印加光吸収ゲート1521〜1524(図中では1522〜1524)により、2×2光スイッチ1512〜1513から漏れ出たクロストーク光を吸収し、低光クロストークを実現する。
In order to construct a 1 × N optical switch using the structure of the conventional optical switch element shown in FIG. 14, 2 × 2
その他の構成として、図16に示すように、1×N光カプラ161と、N個の電界印加光吸収ゲート1621〜1624を用いた分配選択型として1×N光スイッチを構成しても良い。なお、図16でもN=4の場合を図示している。この場合、光入力ポートPI1から入力された入力信号光は、1×N光カプラ161により各光出力ポートPO1〜PO4に等しく分配される。信号光を出力する所望の光出力ポートPO1〜PO4の電界印加光吸収ゲート1621〜1624(図中では1621)は0Vである一方、それ以外のN−1個の電界印加光吸収ゲート1621〜1624(図中では1622〜1624)は逆バイアスの電圧を印加して信号光を遮断する。 As another configuration, as shown in FIG. 16, a 1 × N optical switch may be configured as a distribution selection type using a 1 × N optical coupler 161 and N electric field application light absorption gates 162 1 to 162 4. good. FIG. 16 also shows a case where N = 4. In this case, the input signal light input from the optical input port PI 1 is equally distributed to the optical output ports PO 1 to PO 4 by the 1 × N optical coupler 161. While the electric field applied light absorbing gate 162 1-162 4 desired optical output port PO 1 ~PO 4 for outputting a signal light (in the figure 162 1) is 0V, the other (N-1) application of an electric field light absorbing gate 162 1-162 4 (162 2 to 162 4 in the figure) is cut off the signal light by applying a reverse bias voltage.
図15に示したツリー型の1×N光スイッチを制御する際、光路切り替えを行う2×2光スイッチ1511〜1513及び漏れ光を消光させる電界印加光吸収ゲート1521〜1524は、逆バイアスの電圧をそれぞれ独立に制御端子に印加してスイッチング動作を行う。例えば、8×8光スイッチを図13に示した構成で実現する場合、図15に示したようなツリー型の1×8光スイッチの制御端子数は少なくとも15個を必要とし、8×8光スイッチ全体で120個の制御端子が必要となる。16×16光スイッチに拡張する場合、1×16光スイッチの制御端子数は少なくとも31個必要とし、16×16光スイッチ全体で496個の制御端子数が必要となる。光スイッチ規模Nで一般化すると、1×N光スイッチの制御端子数は少なくとも2N−1個、N×N光スイッチ全体でN×(2N−1)個の制御端子数となる。
When controlling the tree-
通常、ルータ等の装置内で電界印加型の光デバイスを駆動する場合、FPGA(Field Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)、外部からの信号、例えば、TTL(Transistor-Transistor Logic)などのデジタル回路からの信号をデジタル−アナログ変換する変換回路、オペアンプ等の電子回路を用いて、所望の電圧振幅を持つアナログ信号を生成する。例えば、図17に示すように、FPGA171からの信号を、バッファ1721〜172N、ドライバ1731〜173Nを用いて、所望の電圧振幅を持つアナログ信号を生成する。
Usually, when an electric field application type optical device is driven in an apparatus such as a router, an FPGA (Field Programmable Gate Array), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an external signal, for example, TTL (Transistor-Transistor Logic), etc. An analog signal having a desired voltage amplitude is generated using an electronic circuit such as a conversion circuit for converting the signal from the digital circuit into a digital-analog converter or an operational amplifier. For example, as shown in FIG. 17, an analog signal having a desired voltage amplitude is generated from the signal from the
上述したような光スイッチ174(例えば、16×16光スイッチ)と駆動回路(例えば、ドライバ1731〜173N)とをPCB(Printed-Circuit Board)上に実装する場合、独立に電圧制御が必要な端子は上述した数となり、電子回路規模は必然的に大きくなり、光スイッチ174と駆動回路(例えば、ドライバ1731〜173N)との物理的な距離は少なくとも数cm〜数十cmは必要となる。
When the above-described optical switch 174 (for example, a 16 × 16 optical switch) and a drive circuit (for example,
一方、100Gbit/sといった高速なビットレートを有する光パケットをスイッチングするには、1ns以下の高速なオン/オフのスイッチングが求められる。即ち、1GHz程度の帯域をもつスイッチング信号をFPGA171から光スイッチ174まで伝送させる必要があるが、上述した数十cmといった距離では、もはや集中定数回路としての扱いが困難である。そのため、光スイッチ174までの伝送路の特性インピーダンス(例えば、50Ω)を光スイッチ174のインピーダンスと整合させた分布定数回路として実装することが考えられる。
On the other hand, in order to switch an optical packet having a high bit rate of 100 Gbit / s, high-speed on / off switching of 1 ns or less is required. That is, it is necessary to transmit a switching signal having a bandwidth of about 1 GHz from the
しかし、上述した光スイッチは電界印加型のデバイスであり、その素子は高抵抗(〜数MΩ)なため、インピーダンスを整合させるには、図18に示すように、バイアス印加端子TB1〜TBNと接地端子TG1〜TGNとの間の各素子(2×2光スイッチ素子SW1〜SWN又は電界印加光吸収ゲートGA1〜GAN)と並列に、終端抵抗RT(この場合50Ω)を配置する必要がある。 However, since the above-described optical switch is an electric field application type device, and its element has a high resistance (up to several MΩ), in order to match impedance, bias application terminals TB 1 to TB N as shown in FIG. And a terminal resistor RT (in this case 50Ω) in parallel with each element (2 × 2 optical switch elements SW 1 to SW N or electric field application light absorption gates GA 1 to GA N ) between the ground terminal TG 1 to TG N Need to be placed.
仮に、2×2光スイッチ素子SW1〜SWNの制御端子(バイアス印加端子TB1〜TBN)に−5Vの電圧を印加すると、50Ωの終端抵抗RTには100mAの電流が流れ、電力としては1つの制御端子あたり0.5Wを消費する。上述したツリー型及び分配選択型1×16光スイッチは、光出力ポートに設けられた16個の電界印加光吸収ゲートのうち、信号光を出力する所望の電界印加光吸収ゲートは0V、それ以外の15個の電界印加光吸収ゲートは電圧を印加して信号光を遮断する必要がある。即ち、少なくとも15×0.5W=7.5Wの電力を常に終端抵抗RTで消費してしまう。
If a voltage of −5 V is applied to the control terminals (bias application terminals TB 1 to TB N ) of the 2 × 2 optical switch elements SW 1 to SW N , a current of 100 mA flows through the 50Ω termination resistor RT, Consumes 0.5 W per control terminal. The above-described tree type and
この電力は、16×16光スイッチを構成すると240Wとなり、終端抵抗RTで生じる電力は、スイッチ規模Nの拡大、即ち、制御端子数の増加とともに増大する。スイッチ規模の拡大に伴う消費電力の増加は、ルータの電力消費量、更には、ネットワーク全体における電力消費量の増大を引き起こし、大きな問題であり、駆動回路を含めた光スイッチの省電力化は不可欠である。このように、高速性、消費電力の観点から、多電極の光スイッチを如何に高速・低電力に制御するかが重要な課題である。 This power becomes 240 W when a 16 × 16 optical switch is configured, and the power generated by the termination resistor RT increases as the switch scale N increases, that is, the number of control terminals increases. The increase in power consumption accompanying the expansion of the switch scale is a major problem because it increases the power consumption of the router and further the power consumption of the entire network. It is essential to save power in the optical switch including the drive circuit. It is. Thus, from the viewpoint of high speed and power consumption, how to control a multi-electrode optical switch at high speed and low power is an important issue.
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、高速なスイッチングを可能とすると共に、駆動回路を含めた消費電力が極めて低い光スイッチを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an optical switch that enables high-speed switching and has extremely low power consumption including a drive circuit.
上記課題を解決する第1の発明に係る光スイッチは、
1個の入力光導波路に入力された信号光を、分岐素子により、Nを2以上の整数とするN個に分岐し、N個の出力光導波路の1つから出力する光スイッチにおいて、
N個の前記出力光導波路に各々設けられ、2つの電極による電界の印加により、前記信号光の通過又は遮断を行う電界印加光吸収型の光ゲート素子と、
第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタのソースにドレインが接続された第2のトランジスタと、前記第1のトランジスタのソースと前記第2のトランジスタのドレインと前記光ゲート素子のアノード側の前記電極とに一端が接続され、他端が接地されたキャパシタとを有するインバータ回路で構成され、前記キャパシタを用いて、前記光ゲート素子のカソード側の前記電極との間に印加される電圧を制御するN個の第1の駆動回路とを有し、
前記入力光導波路、前記出力光導波路、前記分岐素子、前記光ゲート素子及び前記第1の駆動回路を同一の半導体基板上に集積させると共に、
前記第1の駆動回路は、前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタのゲートに入力された分布定数線路の終端回路からの制御信号に基づき、前記光ゲート素子の状態を遮断から通過に切り替えるときのみ、前記第1のトランジスタのソース、ドレイン間に電流を流し、前記キャパシタの充電を行い、充電後の前記キャパシタの一端の電位を前記光ゲート素子のカソード側の前記電極の電位と等しくし、前記光ゲート素子に電界が印加されない状態として、前記信号光を通過させる一方、前記光ゲート素子の状態を通過から遮断に切り替えるときのみ、前記第2のトランジスタのソース、ドレイン間に電流を流し、前記キャパシタの放電を行い、放電後の前記キャパシタの一端の電位を前記光ゲート素子のカソード側の前記電極の電位より低くし、前記光ゲート素子に電界が印加される状態として、前記信号光を遮断する
ことを特徴とする。
An optical switch according to a first invention for solving the above-mentioned problems is
In an optical switch for branching signal light input to one input optical waveguide into N pieces with N being an integer of 2 or more by a branch element, and outputting from one of the N output optical waveguides.
An electric field application light absorption type optical gate element that is provided in each of the N output optical waveguides and that passes or blocks the signal light by application of an electric field by two electrodes;
A first transistor; a second transistor having a drain connected to a source of the first transistor; a source of the first transistor; a drain of the second transistor; and the anode side of the photogate element. An inverter circuit having a capacitor having one end connected to an electrode and the other end grounded, and using the capacitor, a voltage applied between the electrode on the cathode side of the optical gate element is controlled N first drive circuits that
Integrating the input optical waveguide, the output optical waveguide, the branch element, the optical gate element and the first drive circuit on the same semiconductor substrate;
The first drive circuit switches the state of the optical gate element from blocking to passing based on a control signal from a terminal circuit of a distributed constant line input to the gates of the first transistor and the second transistor. Only when a current flows between the source and drain of the first transistor to charge the capacitor, the potential of one end of the capacitor after charging is made equal to the potential of the electrode on the cathode side of the photogate element. In the state where no electric field is applied to the optical gate element, the signal light is allowed to pass, and only when the state of the optical gate element is switched from passing to blocking, a current is passed between the source and drain of the second transistor. The capacitor is discharged, and the electric potential of one end of the capacitor after the discharge is changed to the electric potential of the electrode on the cathode side of the photogate element. And lower, in a state where an electric field is applied to the optical gate device, wherein <br/> blocking the signal light.
上記課題を解決する第2の発明に係る光スイッチは、
上記第1の発明に記載の光スイッチにおいて、
前記分岐素子は、1入力N出力の光カプラである
ことを特徴とする。
An optical switch according to a second invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the optical switch according to the first invention,
The branch element is a 1-input N-output optical coupler.
上記課題を解決する第3の発明に係る光スイッチは、
上記第1の発明に記載の光スイッチにおいて、
前記分岐素子は、少なくとも1つの2入力2出力MZI(Mach Zehnder Interferometer)からなると共に、複数の前記2入力2出力MZIからなる場合には、前段の前記2入力2出力MZIの2つの光出力ポートの各々に後段の前記2入力2出力MZIの2つの光入力ポートの一方が接続されて、複数の前記2入力2出力MZIがツリー状に多段に接続された構成である
ことを特徴とする。
An optical switch according to a third invention for solving the above-mentioned problem is as follows.
In the optical switch according to the first invention,
The branch element includes at least one two-input two-output MZI (Mach Zehnder Interferometer). When the branch element includes a plurality of the two-input two-output MZI, two optical output ports of the two-input two-output MZI in the previous stage One of two optical input ports of the latter two-input two-output MZI is connected to each of the two, and a plurality of the two-input two-output MZIs are connected in multiple stages in a tree shape.
上記課題を解決する第4の発明に係る光スイッチは、
上記第3の発明に記載の光スイッチにおいて、
前記2入力2出力MZIの2つのアーム光導波路の少なくとも一方に設けた電極に対して電流又は電圧を付与する、第3のトランジスタを用いた第2の駆動回路を更に有し、
前記第2の駆動回路を更に前記半導体基板上に集積すると共に、
前記第2の駆動回路は、前記分布定数線路の前記終端回路からの前記制御信号により、前記第3のトランジスタのゲートをオン又はオフ動作させる
ことを特徴とする。
An optical switch according to a fourth invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the optical switch according to the third invention,
A second drive circuit using a third transistor for applying a current or a voltage to an electrode provided on at least one of the two arm optical waveguides of the two-input two-output MZI;
And further integrating the second drive circuit on the semiconductor substrate;
The second drive circuit turns on or off the gate of the third transistor according to the control signal from the termination circuit of the distributed constant line.
上記課題を解決する第5の発明に係る光スイッチは、
上記第1〜第4のいずれか1つの発明に記載の光スイッチにおいて、
前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタは、HEMT(High Electron Mobility Transistor)である
ことを特徴とする。
An optical switch according to a fifth invention for solving the above-described problem is
In the optical switch according to any one of the first to fourth inventions,
The first transistor and the second transistor are HEMTs (High Electron Mobility Transistors).
上記課題を解決する第6の発明に係る光スイッチは、
上記第1〜第5のいずれか1つの発明に記載の光スイッチにおいて、
前記分布定数線路は、LVDS(Low Voltage Differential Signaling)である
ことを特徴とする。
An optical switch according to a sixth invention for solving the above-described problems is
In the optical switch according to any one of the first to fifth inventions,
The distributed constant line is LVDS (Low Voltage Differential Signaling).
上記課題を解決する第7の発明に係る光スイッチは、
上記第1〜第6のいずれか1つの発明に記載の光スイッチにおいて、
前記終端回路を更に前記半導体基板上に集積した
ことを特徴とする。
An optical switch according to a seventh invention for solving the above-described problem is
In the optical switch according to any one of the first to sixth inventions,
The termination circuit is further integrated on the semiconductor substrate.
本発明によれば、光ゲート素子を駆動する第1の駆動回路にキャパシタを用い、光ゲート素子の印加電圧の切り替え動作時にのみ電力を消費する構成としたので、当該駆動回路を含めた消費電力が極めて低い光スイッチを実現することができる。 According to the present invention, the capacitor is used for the first drive circuit that drives the optical gate element, and the power is consumed only during the switching operation of the applied voltage of the optical gate element. It is possible to realize an optical switch that is extremely low.
又、本発明によれば、少なくとも、分岐素子、光ゲート素子及び第1の駆動回路を同一の半導体基板上に集積(1チップ集積)させて、光ゲート素子と第1の駆動回路との間の距離を縮小したので、高速なスイッチングが可能となる。 In addition, according to the present invention, at least the branch element, the optical gate element, and the first drive circuit are integrated on the same semiconductor substrate (one-chip integration), and between the optical gate element and the first drive circuit. Since the distance is reduced, high-speed switching becomes possible.
以下、本発明に係る光スイッチの実施形態について、図面を参照して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of an optical switch according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施例1]
本実施例の光スイッチは、トランジスタを用いたインバータ回路をモノリシック集積した駆動回路集積光スイッチである。このような駆動回路集積光スイッチとその周辺回路の構成を図1に示す。図1に示すように、周辺回路となるFPGA101と駆動回路集積光スイッチ102とを有し、FPGA101と駆動回路集積光スイッチ102との間は、分布定数線路を用いて接続している。なお、FPGA101に代えてASICを用いても良い。
[Example 1]
The optical switch of this embodiment is a drive circuit integrated optical switch in which inverter circuits using transistors are monolithically integrated. The configuration of such a drive circuit integrated optical switch and its peripheral circuits is shown in FIG. As shown in FIG. 1, an
そして、駆動回路集積光スイッチ102は、図16に示した分配選択型の1×N光スイッチの構成となっている。即ち、1個の光入力ポート(入力光導波路)と、Nを2以上の整数とするN個の光出力ポート(出力光導波路)とを有する1×N光スイッチであって、後述するように、光入力ポートに入力された信号光が導波する光導波路をN個に分岐する1×Nカプラ(分岐素子)と、N個の光出力ポートに各々設けられ、信号光の通過又は遮断を行う光吸収ゲート(光ゲート素子)と、光吸収ゲートを駆動するN個のインバータ回路(第1の駆動回路)とを有する構成である。光吸収ゲートとしては、例えば、電界印加光吸収型の光ゲート素子を用いる。
The drive circuit integrated
本実施例では、光スイッチ素子として電圧駆動を想定し、その駆動回路として、例えば、高速な電圧増幅回路を実現可能な高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor: HEMT)を用いたインバータ回路を構成する。 In this embodiment, voltage driving is assumed as the optical switch element, and an inverter circuit using a high electron mobility transistor (HEMT) capable of realizing a high-speed voltage amplification circuit is used as the driving circuit, for example. Configure.
図17に示した従来の光スイッチ及びその周辺回路では、図18に示したように、光スイッチ素子である2×2光スイッチ素子SW1〜SWN(又は、電界印加光吸収ゲートGA1〜GAN)と並列に終端抵抗RTを配置し、駆動回路(例えば、ドライバ1731〜173N)から光スイッチ174までをインピーダンスが整合した伝送路を用いていた。
In the conventional optical switch and its peripheral circuit shown in FIG. 17, as shown in FIG. 18, 2 × 2 optical switch elements SW 1 to SW N (or electric field application light absorption gates GA 1 to GA 1) as optical switch elements. A termination resistor RT is arranged in parallel with GA N ), and a transmission line in which impedance is matched from the drive circuit (for example,
一方、本実施例では、制御回路として機能するFPGA101から発生させる制御信号を伝搬させる線路として、分布定数線路を用いる。ここでは、分布定数線路の一例として、2本の伝送路を使用した差動信号方式であるLVDS(Low Voltage Differential Signaling)を用いて、駆動回路一体型である駆動回路集積光スイッチ102を動作させる。これにより、数GHzまでの高速信号伝送、低消費電力(3.5mA駆動、信号振幅350mV)、高ノイズ耐性(差動信号により同相ノイズをキャンセル)を可能としている。
On the other hand, in this embodiment, a distributed constant line is used as a line for propagating a control signal generated from the
本実施例で用いるHEMTの層構造を図2に示す。半絶縁性(Semi Insulator: SI)−InP基板21上に、バッファ層22としてi−InGaAs、i−InAlAsを形成し、チャネル層23としてi−InP、i−InAlAs、Siδドーピング層、i−InAlAsを形成し、キャップ層24としてn−InGaAs、n−InAlAsを形成し、チャネル層23の上にゲート電極25gを形成すると共に、キャップ層24の上にソース電極25s、ドレイン電極25dを形成した構造を作製する。
The layer structure of the HEMT used in this example is shown in FIG. On a semi-insulating (SI) -
本実施例のHEMTにおいては、ゲート長0.1μm、ゲート幅25μmとする。これらの設計値は、HEMTの特性を決める重要なパラメータとなる。ゲート長によってHEMTの応答速度が決まるが、本実施例のゲート長0.1μmでは、GHzまでの高速信号に対応した動作を実現することがわかっている。又、ゲート幅の大小によってソース、ドレイン間に流れる電流値を決定できる。 In the HEMT of this embodiment, the gate length is 0.1 μm and the gate width is 25 μm. These design values are important parameters that determine the characteristics of the HEMT. Although the HEMT response speed is determined by the gate length, it is known that the operation corresponding to the high-speed signal up to GHz is realized with the gate length of 0.1 μm in this embodiment. Further, the current value flowing between the source and the drain can be determined depending on the size of the gate width.
本実施例の駆動回路集積光スイッチ102を構成するHEMT集積型光スイッチ素子の層構造を図3に示す。従来の光スイッチ素子は、特許文献1で示されているように、通常、n基板上で作製されるが、本実施例では、SI−InP基板21上にHEMT層20を作製し、更に、その上に光スイッチ層30を作製している。
FIG. 3 shows the layer structure of the HEMT integrated optical switch element constituting the drive circuit integrated
n基板上の光スイッチ素子は、例えば、図14に示したように、基板裏面にグランド電極(n型電極7)を形成することができる。しかしながら、本実施例では、SI(半絶縁性)基板上で光スイッチ素子(光スイッチ)を実現する必要があるため、抵抗率の高いSI基板の裏面をグランドとすることはできない。 For example, as shown in FIG. 14, the optical switch element on the n substrate can form a ground electrode (n-type electrode 7) on the back surface of the substrate. However, in this embodiment, since it is necessary to realize an optical switch element (optical switch) on an SI (semi-insulating) substrate, the back surface of the SI substrate having a high resistivity cannot be grounded.
そこで、本実施例では、光スイッチ層30の層構造を、図4の右図に示すように、SI−InP基板21上のHEMT層20と光スイッチ層30との境界に光スイッチ用のn−コンタクト層31を設け、n−コンタクト層31の上面までエッチングすることにより、n−コンタクト層31の表面にグランド電極36gを形成した構造を実現している。即ち、SI−InP基板21及びHEMT層20上に、n+−InGaAsPコンタクト層31、n層となるn−InP下部クラッド層32、i層となるバルク1.4Q組成のInGaAsPコア層33(フォトルミネッセンスピーク波長1.4μm、厚さ0.3μm)、p層となるp−InP上部クラッド層34、p+−InGaAsPコンタクト層35の順に形成された積層構造を作製する。そして、後述する光吸収ゲートを制御するための信号電極36sは、p+−InGaAsPコンタクト層35上に形成され、p型電極となっており、グランド電極36gは、n+−InGaAsPコンタクト層31上に形成され、n型電極となっている。なお、図4の左図は、比較のために、基板裏面にグランド電極を形成した光スイッチ素子を図示している。
Therefore, in this embodiment, the layer structure of the
ここでのn+−InGaAsPコンタクト層31は、n型4元のコンタクト層とし、ドーピング濃度を高くすることで、抵抗率の低い層としている。つまり、n+−InGaAsPコンタクト層31は、低抵抗グランド層として機能する。このn+−InGaAsPコンタクト層31は、光スイッチ全面で共通となるため、その表面にグランド電極36gを形成することで、裏面のグランド電極と同様に、単一のグランド層(n+−InGaAsPコンタクト層31)のみでスイッチング動作を可能とする。
The n + -
光スイッチ素子を構成する光導波路は、光スイッチ層30と同じ層構造をInGaAsPコア層33の下方までエッチングすることで作製し、pinダブルヘテロ接合構造を有するハイメサ導波路とした。図5に光導波路の断面構造を示す。入力光導波路、1×4光カプラ、光吸収ゲート及び出力光導波路の光導波路高さは、4μmとした。入力光導波路、光吸収ゲート及び出力光導波路の光導波路幅は1.4μmとした。光吸収ゲートの導波方向の長さ(即ち、光吸収ゲートに設けたp型電極の長さ)は1000μmとした。1×4光カプラは、マルチモード干渉(MMI)光カプラとし、そのサイズは31×7.6μmとした(導波方向の長さが31μm)。又、グランド電極36gは、図4に示すように、光吸収ゲートとなる光導波路の近傍に深さ4.5μmの溝を形成し、当該溝の底部に作製する。
The optical waveguide constituting the optical switch element was manufactured by etching the same layer structure as that of the
ここで、本実施例の光吸収ゲートの動作について説明する。例えば、グランド電極36gは接地し(電位=0V)、光吸収ゲートに設けたp型電極である信号電極36sにマイナス電圧を印加すると、FK(Franz-Keldysh)効果により、InGaAsPコア層33における吸収端がシフトし、光吸収ゲートを伝搬する信号光波長での吸収係数が増加する。
Here, the operation of the light absorption gate of this embodiment will be described. For example, when the ground electrode 36g is grounded (potential = 0V) and a negative voltage is applied to the signal electrode 36s which is a p-type electrode provided in the light absorption gate, absorption in the
そこで、例えば、光吸収ゲートの1つのp型電極(信号電極36s)に0Vを印加し、残りの光吸収ゲートのp型電極(信号電極36s)に信号光波長で所望の吸収率(減衰)が得られるマイナス電圧を印加することで、光入力ポートに入力された入力信号光が、0V印加の光吸収ゲートと接続する光出力ポートからのみ出力されるようになる。つまり、出力させたい光出力ポートと接続する光吸収ゲートのp型電極(信号電極36s)に電圧0Vを印加し、その他の光吸収ゲートのp型電極(信号電極36s)にマイナス電圧を印加することで、出力させる光出力ポートを選択できるため、光吸収ゲートへの印加電圧の制御により、光スイッチング動作させることができる。 Therefore, for example, 0 V is applied to one p-type electrode (signal electrode 36s) of the light absorption gate, and a desired absorption rate (attenuation) is applied to the remaining p-type electrode (signal electrode 36s) of the light absorption gate at the signal light wavelength. By applying a minus voltage that can be obtained, the input signal light input to the optical input port is output only from the optical output port connected to the 0 V applied light absorption gate. That is, a voltage of 0 V is applied to the p-type electrode (signal electrode 36s) of the light absorption gate connected to the optical output port to be output, and a negative voltage is applied to the p-type electrode (signal electrode 36s) of the other light absorption gates. Thus, since the optical output port to be output can be selected, the optical switching operation can be performed by controlling the voltage applied to the light absorption gate.
なお、光吸収ゲートへの印加電圧が0Vである場合、信号光波長を1.55μmとすると、光吸収ゲートの吸収端は信号光波長よりも100nm以上離れており、光吸収ゲートにおける伝搬損失は0.5dB/mmと十分に小さい。 When the voltage applied to the light absorption gate is 0 V and the signal light wavelength is 1.55 μm, the absorption edge of the light absorption gate is more than 100 nm away from the signal light wavelength, and the propagation loss in the light absorption gate is It is sufficiently small as 0.5 dB / mm.
本実施例の光吸収ゲートでは、図6に示すように、印加電圧−3Vで消光比20dBを得ることができる。入力側の1×N光スイッチと出力側のN×1光スイッチとを併せて、N×N光スイッチ全体で消光比40dB以上を得ることができる。 In the light absorption gate of this embodiment, as shown in FIG. 6, an extinction ratio of 20 dB can be obtained with an applied voltage of −3V. By combining the 1 × N optical switch on the input side and the N × 1 optical switch on the output side, an extinction ratio of 40 dB or more can be obtained for the entire N × N optical switch.
なお、光吸収ゲートとして、半導体光増幅器を用いて同様の機能を実現することも可能であるが、電界印加型の光吸収ゲートを用いると、パタン効果や非線形光学効果による入力信号の劣化を避けることが可能である。 A similar function can be realized by using a semiconductor optical amplifier as the light absorption gate. However, when an electric field application type light absorption gate is used, deterioration of the input signal due to a pattern effect or a nonlinear optical effect is avoided. It is possible.
電界印加型の光吸収ゲートは、信号の通過時にのみ印加電圧を0Vとするため、信号を通過させるポート以外の全てを電界印加状態とする必要がある。通常の構成では、駆動回路に電流を流すことで電界印加を行うため、光吸収ゲートに電界印加を行う間、電力を消費し続けるが、本実施例では、印加電圧の切り替え動作時にのみ電力を消費する構成とすることで、低消費電力動作を実現するようにしている。すなわち、光パケット信号の1%の時間だけ、回路に電流が流れる構成であるため、大幅な電力削減が可能になる。 In the electric field application type light absorption gate, the applied voltage is set to 0 V only when the signal passes, and therefore all the ports other than the port through which the signal passes must be in the electric field application state. In the normal configuration, the electric field is applied by passing a current through the drive circuit, and thus power is continuously consumed while the electric field is applied to the light absorption gate. However, in this embodiment, the electric power is applied only during the switching operation of the applied voltage. By adopting a consuming configuration, low power consumption operation is realized. That is, since the current flows through the circuit only for 1% of the time of the optical packet signal, a significant power reduction can be achieved.
図7(a)、(b)に、光吸収ゲートを駆動する駆動回路となるインバータ回路を含む回路構成を示す。図7(a)、(b)の回路構成において、分布定数線路(ここでは、LVDS)の終端には、LVDS終端回路71が設けられ、このLVDS終端回路71からインバータ回路72(第1の駆動回路)へ制御信号が出力される。インバータ回路72は、トランジスタT11(第1のトランジスタ)と、トランジスタT11のソースにドレインが接続されたトランジスタT12(第2のトランジスタ)と、トランジスタT11のソースとトランジスタT12のドレインとを接続する接続線の点A1に一端が接続され、他端が接地されたキャパシタCとを有している。
FIGS. 7A and 7B show circuit configurations including an inverter circuit serving as a drive circuit for driving the light absorption gate. 7A and 7B, an
インバータ回路72において、LVDS終端回路71からの一方の出力は、トランジスタT11のゲートに入力されており、LVDS終端回路71からの他方の出力は、トランジスタT12のゲートに入力されている。トランジスタT11のドレインには電圧VD1が印加され、トランジスタT12のソースには電圧VS1が印加されている。そして、ダイオードである光吸収ゲートD11のアノードは、インバータ回路72内の点A1に接続され、光吸収ゲートD11のカソードには電圧VEが印加されている。ここで、図3、図4を参照すると、p型電極の信号電極36sが光吸収ゲートD11のアノード側となり、グランド電極36gが光吸収ゲートD11のカソード側となる。
In the inverter circuit 72, one output of the
図7(a)、(b)に示した回路構成について、その動作をより詳細に説明する。図7(a)、(b)に示した回路構成では、電圧VD1及び電圧VEには3V、電圧VS1には0Vの電位を与え、LVDS終端回路71からの信号を用いて、トランジスタT11及びトランジスタT12のゲートの開閉を行うことで、キャパシタCへのチャージ状態を変化させ、光吸収ゲートD11に印加する電圧を切り替える(スイッチング動作)。
The operation of the circuit configuration shown in FIGS. 7A and 7B will be described in more detail. In the circuit configuration shown in FIGS. 7A and 7B, a voltage of 3 V is applied to the voltage V D1 and the voltage V E , and a voltage of 0 V is applied to the voltage V S1 , and a signal from the
例えば、図7(a)は、トランジスタT11のゲートに信号が送られた状態を示す。この場合、トランジスタT11のソース、ドレイン間に電流iaが流れ、キャパシタCのチャージが溜まると、点A1における電位はVA1≒VD1となり、この電流iaは流れなくなる。このとき、VE≒VA1となり、光吸収ゲートD11への電圧は印加されず、信号光は通過する。それに対し、図7(b)は、トランジスタT12のゲートに信号が送られた状態を示す。この場合、トランジスタT12のソース、ドレイン間に電流ibが流れ、キャパシタCのチャージが開放されると、点A1における電位はVA1≒VS1となり、この電流ibは流れなくなる。このとき、VA1<VEとなり、光吸収ゲートD11に対して逆バイアスの電圧を印加することになる。これにより、FK効果による光吸収が発生し、信号光を遮断する。 For example, FIG. 7A shows a state where a signal is sent to the gate of the transistor T 11 . In this case, when the current i a flows between the source and drain of the transistor T 11 and the charge of the capacitor C is accumulated, the potential at the point A1 becomes V A1 ≈V D1 and this current i a does not flow. At this time, V E ≈V A1 , and no voltage is applied to the light absorption gate D 11 , and the signal light passes. In contrast, FIG. 7 (b) shows a state in which the signal is sent to the gate of the transistor T 12. In this case, when the current i b flows between the source and drain of the transistor T 12 and the charge of the capacitor C is released, the potential at the point A1 becomes V A1 ≈V S1 , and this current i b does not flow. At this time, V A1 <V E , and a reverse bias voltage is applied to the light absorption gate D 11 . As a result, light absorption due to the FK effect occurs and the signal light is blocked.
図8に、LVDS終端回路を含めた光吸収ゲート用駆動回路の回路構成の一例を示す。なお、図8においては、トランジスタT11、トランジスタT12及びキャパシタCが上述したインバータ回路72を構成しており、トランジスタT21、トランジスタT22、抵抗R21、抵抗R22及び終端抵抗RTが上述したLVDS終端回路71を構成しており、光吸収ゲートD11のアノードは、トランジスタT11のソースとトランジスタT12のドレインとを接続する接続線に接続されている。
FIG. 8 shows an example of a circuit configuration of a light absorption gate drive circuit including an LVDS termination circuit. In FIG. 8, the transistor T 11 , the transistor T 12 and the capacitor C constitute the inverter circuit 72 described above, and the transistor T 21 , transistor T 22 , resistor R 21 , resistor R 22 and termination resistor RT are described above. and it constitutes an
図8に示すLVDS終端回路では、分布定数線路(LVDS)に終端抵抗RTが並列に接続され、分布定数線路の一方にトランジスタT21のゲートが接続され、分布定数線路の他方にトランジスタT22のゲートが接続され、トランジスタT21のソースがトランジスタT22のソースと接続され、トランジスタT21のドレインがトランジスタT11のソース及び抵抗R21の一端と接続され、トランジスタT22のドレインがトランジスタT11のゲート及び抵抗R22の一端と接続され、抵抗R21の他端が抵抗R22の他端と接続されている。 In the LVDS termination circuit shown in FIG. 8, the termination resistor RT is connected in parallel to the distributed constant line (LVDS), the gate of the transistor T 21 is connected to one of the distributed constant lines, and the transistor T 22 is connected to the other of the distributed constant lines. The gate is connected, the source of the transistor T 21 is connected to the source of the transistor T 22 , the drain of the transistor T 21 is connected to the source of the transistor T 11 and one end of the resistor R 21 , and the drain of the transistor T 22 is connected to the transistor T 11. is the connection to the gate and one end of the resistor R 22, the other end of the resistor R 21 is connected to the other end of the resistor R 22.
図8に示す回路構成において、LVDS差動信号は1.2Vを中心とした350mV振幅の差動信号であり、トランジスタT21のゲートに1.375V印加されるとき、トランジスタT22のゲートには1.025Vが印加される。このとき、トランジスタT11のゲートは開き、トランジスタT12のゲートが閉じた状態となる。そして、図7(a)で説明したように、トランジスタT11のソース、ドレイン間に電流iaが流れ、キャパシタCがチャージされることで、トランジスタT11のドレインの電位が上がり、電流iaが流れなくなる。その結果、光吸収ゲートD11への電圧は印加されず、信号光は通過する。 In the circuit configuration shown in FIG. 8, LVDS differential signal is a differential signal of 350mV amplitude centered on 1.2V, when it is 1.375V applied to the gate of the transistor T 21, to the gate of the transistor T 22 is 1.025V is applied. At this time, the gate of the transistor T 11 is opened and the gate of the transistor T 12 is closed. Then, as described with reference to FIG. 7A, the current i a flows between the source and drain of the transistor T 11 and the capacitor C is charged, whereby the potential of the drain of the transistor T 11 rises, and the current i a No longer flows. As a result, the voltage of the light-absorbing gate D 11 is not applied, the signal light passes through.
一方、トランジスタT21のゲートに1.025V印加されるとき、トランジスタT22のゲートに1.375V印加され、このとき、トランジスタT11のゲートは閉じ、トランジスタT12のゲートが開いた状態となる。そして、図7(b)で説明したように、トランジスタT12のソース、ドレイン間に電流ibが流れ、キャパシタCのチャージが開放されることで、トランジスタT12のソースの電位が下がり、電流ibが流れなくなる。その結果、光吸収ゲートD11に逆バイアスの電圧を印加して、信号光を遮断する。 On the other hand, when 1.025 V is applied to the gate of the transistor T 21 , 1.375 V is applied to the gate of the transistor T 22. At this time, the gate of the transistor T 11 is closed and the gate of the transistor T 12 is opened. . Then, as described with reference to FIG. 7 (b), the source of the transistor T 12, the current i b flows between the drain, that the charge of capacitor C is opened, lower the source potential of the transistor T 12, the current i b stops flowing. As a result, by applying a reverse bias voltage to the light-absorbing gate D 11, blocking the signal light.
このように、LVDS差動信号を切り替えることで、トランジスタT11とトランジスタT12のゲートの開閉を行い、キャパシタCの充放電を行うことで、光吸収ゲートD11に印加する電圧を切り替え、スイッチング動作を実現する。上述したように、光スイッチ素子に対してHEMTを用いた駆動回路(インバータ回路72)を同一基板にモノリシック集積することで、更には、LVDS終端回路71も含めて、同一基板にモノリシック集積することで、光スイッチ素子と駆動回路との距離は数ミリメートルオーダに縮小することができ(図1参照)、数GHzまでの高速信号で制御することが可能となる。
Thus, by switching the LVDS differential signal, the gates of the transistors T 11 and T 12 are opened and closed, and the capacitor C is charged and discharged, thereby switching the voltage applied to the light absorption gate D 11 and switching. Realize operation. As described above, the drive circuit (inverter circuit 72) using HEMT for the optical switch element is monolithically integrated on the same substrate, and further, the
図7(a)、(b)に示したようなインバータ回路72を用いて、光スイッチを駆動させる場合、例えば、100ns程度の長さの光パケットに対しては、1ns程度の間、インバータ回路72に電流を流して、消費電力が発生する構成となる。キャパシタCにチャージを溜めるため、流す電流量は多くなるが、時間で平均した場合、消費電力は大幅に削減することができる。図16に示した分配選択型の1×N光スイッチにおいて、例えば、1×16光スイッチの場合では、消費電力を24mWに抑えることができる。このような動作を実現した場合、光スイッチ全体の合計の消費電力は、16×16光スイッチであっても768mWとなり、前述した従来の消費電力(例えば、240W)に比べ、消費電力の大きな低減が見込め、消費電力が極めて低い光スイッチを実現することができる。
When the optical switch is driven using the inverter circuit 72 as shown in FIGS. 7A and 7B, for example, for an optical packet having a length of about 100 ns, the inverter circuit is used for about 1 ns. In this configuration, a current is supplied to 72 to generate power consumption. Since the charge is accumulated in the capacitor C, the amount of current to flow increases, but when averaged over time, power consumption can be greatly reduced. In the
なお、光吸収ゲートD11に印加する電圧は、図6に示した特性から、消光効果が得られる範囲として0〜−7Vが適切であり、電圧VD1及びVEの値は0〜7Vが好ましい。又、本実施例では、HEMTを用いたユニポーラ型トランジスタを用いて説明してきたが、HBT(Hetero-junction Bipolar Transistor)などの他のバイポーラ型トランジスタを用いても良い。 From the characteristics shown in FIG. 6, the voltage applied to the light absorption gate D 11 is suitably 0 to −7 V as a range where the quenching effect can be obtained, and the values of the voltages V D1 and V E are 0 to 7 V. preferable. In this embodiment, the unipolar transistor using HEMT has been described. However, other bipolar transistors such as HBT (Hetero-junction Bipolar Transistor) may be used.
次に、本実施例の光スイッチ素子(光スイッチ層30)の作製方法について、図2〜図5を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the optical switch element (optical switch layer 30) of this example will be described with reference to FIGS.
まず、SI−InP基板21及びHEMT層20上に、n+−InGaAsPコンタクト層31、n−InP下部クラッド層32、1.4Q組成0.3μm膜厚のバルクi−InGaAsPコア層33、p−InP上部クラッド層34、p+−InGaAsPコンタクト層35を、有機金属気相成長法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy: MOVPE)により成長させる。次いで、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、ハイメサ導波路構造を一括形成する。このように、光スイッチ素子を作製するためのMOVPE成長、光導波路構造の形成を一括で行えるようになる。
First, on the SI-
その後、局所領域への埋め込みが可能で平坦化に優れた有機材料であるベンゾシクロブテン(Benzocyclobutene: BCB)をスピンコートにより塗布し、O2/C2F6混合ガスを用いたRIE(Reactive Ion Etching)により、埋込前の基板表面が露出するまでエッチバックし、基板表面を平坦化する。そして、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、グランド電極36g形成のための溝を形成し、その溝にグランド電極36gとなるn型電極を形成する。最後に、光吸収ゲートD11となる部分のp+−InGaAsPコンタクト層35上に信号電極36sとなるp型電極を形成する。
Then, benzocyclobutene (BCB), which is an organic material that can be embedded in a local region and has excellent planarization, is applied by spin coating, and RIE (Reactive Ion using an O 2 / C 2 F 6 mixed gas) is applied. Etching) etches back until the surface of the substrate before embedding is exposed, and planarizes the substrate surface. Then, a groove for forming the ground electrode 36g is formed by photolithography and dry etching, and an n-type electrode to be the ground electrode 36g is formed in the groove. Finally, a p-type electrode serving as the signal electrode 36s on the part of the p + -
本実施例では、膜厚0.3μm、幅1.4μmの1.4Q組成のInGaAsPコア層33を用いている。これらの設計値は、光スイッチ素子の光学的特性を決める重要なパラメータとなる。入力信号光波長が、例えば、1.53μmから1.57μmで動作し、低損失、高速、かつ低消費電力な動作を実現するためには、下記の条件(1)〜(3)が満たされることが好ましい。
In this embodiment, an
(1)InGaAsPコア層33の厚さは、入力信号光に対してシングルモード導波条件で、かつ、InGaAsPコア層33への十分な光閉じ込めを有する条件であり、0.1μm〜0.4μmの範囲が望ましい。
(2)InGaAsPコア層33の幅は、入力信号光に対してシングルモード導波条件であり、0.8μm〜3μmの範囲が望ましい。
(3)駆動回路の消費電力を低減する観点から、光吸収ゲートD11への印加電圧の絶対値が7V以下となる条件であり、InGaAsPコア層33の組成は1.3Q〜1.5Qで、各電極長は100μm〜2000μmの範囲が望ましい。
(1) The thickness of the
(2) The width of the
(3) from the viewpoint of reducing the power consumption of the driving circuit, a condition in which the absolute value of the voltage applied to the light-absorbing gate D 11 is 7V or less, the composition of
なお、本実施例の光スイッチ素子では、光吸収ゲートD11のInGaAsPコア層33としてバルク層を用いるように説明してきたが、多重量子井戸構造としても良い。その場合は、量子閉じ込めシュタルク効果により、光吸収ゲートD11において高効率に消光できるようになる。又、光導波路構造をハイメサ型光導波路構造としているが、それ以外の構造、例えば、リッジ導波路構造として作製しても良い。あるいは、InGaAsPコア層33の両横が半導体で埋め込まれた埋め込み型光導波路構造やリブ型光導波路構造などであっても良い。
In the optical switch of the present embodiment it has been described to use a bulk layer as
又、本実施例では、InP系の化合物半導体を用いて説明してきたが、GaAs系の化合物半導体を用いても良い。又、シリコン細線導波路などのナノ秒オーダの屈折率及び吸収係数の変化が可能な材料系を用いても、同様な光スイッチ素子を実現できる。この場合、駆動回路を構成するトランジスタとしてMOSFETなどが挙げられる。 In this embodiment, an InP-based compound semiconductor has been described. However, a GaAs-based compound semiconductor may be used. A similar optical switch element can also be realized by using a material system capable of changing the refractive index and absorption coefficient in the order of nanoseconds, such as a silicon fine wire waveguide. In this case, MOSFET etc. are mentioned as a transistor which comprises a drive circuit.
[実施例2]
本実施例の光スイッチも、実施例1と同じように、HEMTを用いたインバータ回路をモノリシック集積したものである。以下、図面を参照して、その構成及び動作について詳細に説明する。
[Example 2]
Similarly to the first embodiment, the optical switch of the present embodiment is also an monolithically integrated inverter circuit using a HEMT. Hereinafter, the configuration and operation will be described in detail with reference to the drawings.
本実施例の光スイッチは、図15に示した構成とする。詳細は後述するが、1個の光入力ポート(入力光導波路)と、Nを2以上の整数とするN個の光出力ポート(出力光導波路)とを有する1×N光スイッチであって、光入力ポートに入力された信号光が導波する光導波路をN個に分岐するように接続した少なくとも1つの2×2光スイッチ素子(分岐素子)と、N個の光出力ポートに各々設けられ、信号光の通過又は遮断を行う光吸収ゲート(光ゲート素子)と、光吸収ゲートを駆動するN個のインバータ回路(第1の駆動回路)とを有する構成である。ここでの光吸収ゲートは、電界印加光吸収型の光ゲート素子である。又、本実施例のインバータ回路は実施例1で説明したインバータ回路と同等のもので良い。 The optical switch of this embodiment has the configuration shown in FIG. As will be described in detail later, this is a 1 × N optical switch having one optical input port (input optical waveguide) and N optical output ports (output optical waveguides) where N is an integer of 2 or more, At least one 2 × 2 optical switch element (branch element) connected so as to branch into N optical waveguides for guiding signal light input to the optical input port, and N optical output ports are provided respectively. The light-absorbing gate (light gate element) that passes or blocks the signal light and the N inverter circuits (first driving circuit) that drive the light-absorbing gate. The light absorption gate here is an electric field applied light absorption type optical gate element. Further, the inverter circuit of the present embodiment may be equivalent to the inverter circuit described in the first embodiment.
なお、2×2光スイッチ素子を複数用いる場合には、前段の2×2光スイッチ素子の2つの光出力ポートの各々に後段の2×2光スイッチ素子の2つの光入力ポートの一方を接続して、2×2光スイッチ素子をツリー状に多段接続した構成として、1×N分岐素子とする。 When two or more 2 × 2 optical switch elements are used, one of the two optical input ports of the subsequent 2 × 2 optical switch element is connected to each of the two optical output ports of the upstream 2 × 2 optical switch element. Then, a 2 × 2 optical switch element is connected in a tree shape in a multistage manner to form a 1 × N branch element.
そして、1×N光スイッチに入力された入力信号光は、2×2光スイッチ素子の光路切り替えにより所望の光出力ポートに導波される一方、それ以外の光出力ポートでは、電界印加光吸収ゲートにより2×2光スイッチ素子から漏れ出たクロストーク光を吸収し、低光クロストークを実現している。 The input signal light input to the 1 × N optical switch is guided to the desired optical output port by switching the optical path of the 2 × 2 optical switch element, while the other optical output ports absorb the electric field applied light. The crosstalk light leaking from the 2 × 2 optical switch element is absorbed by the gate to realize low optical crosstalk.
ここで、本実施例の光スイッチの最小限の構成となる1×2光スイッチを図9に例示する。本実施例の光スイッチは、図9を参照すると、少なくとも、2×2MZI91(分岐素子)、電界印加光吸収ゲート961、962及び出力光導波路98から構成され、これらは、同一のSI−InP基板及びHEMT層上に形成される。
Here, FIG. 9 illustrates a 1 × 2 optical switch as a minimum configuration of the optical switch of the present embodiment. Referring to FIG. 9, the optical switch of this embodiment is composed of at least 2 × 2 MZI 91 (branch element), electric field application light absorption gates 96 1 and 96 2, and output
2×2MZI91の構成の詳細は後述するが、2つの光入力ポートPI1、PI2を有し、光入力ポートPI1、PI2の一方に入力信号光が入力される。電界印加光吸収ゲート961、962は、実施例1で述べた光吸収ゲートの動作と同じ動作をする。即ち、マイナス電圧の印加に従い、入力された光を透過ないし減衰する。電界印加光吸収ゲート961、962から出力される信号光は出力光導波路98(光出力ポートPO1、PO2)へ導かれ、その端面から出力される。2×2MZI91、電界印加光吸収ゲート961、962及び出力光導波路98は全て図5に示すものと同じ断面構造を有する。なお、MZI(Mach Zehnder Interferometer)は、マッハツェンダ干渉計のことである。
Although the configuration details of the 2 × 2MZI91 described later, the two have an optical input port PI 1, PI 2, the input signal light is input to one optical input port PI 1, PI 2. The electric field application light absorption gates 96 1 and 96 2 perform the same operation as that of the light absorption gate described in the first embodiment. That is, the input light is transmitted or attenuated according to the application of a negative voltage. The signal light output from the electric field application light absorption gates 96 1 and 96 2 is guided to the output optical waveguide 98 (optical output ports PO 1 and PO 2 ) and output from the end faces. The 2 × 2 MZI 91, the electric field application light absorption gates 96 1 and 96 2, and the output
そして、2×2MZI91は、入力された信号を2分岐する2×2光カプラ92及び2×2光カプラ93と、2×2光カプラ92の2つの出力光導波路と2×2光カプラ93の2つの入力光導波路をそれぞれ接続する、長さの等しい2つのアーム光導波路94とで構成される。2つのアーム光導波路94上のp+−InGaAsPコンタクト層35上にはそれぞれ電流注入用電極95となるp型電極が形成され、プラス電圧を印加することで、InGaAsPコア層33に電流を注入できるようになっている(図5参照)。電流注入用電極95が形成されたアーム光導波路94の長さはそれぞれ200μmである。なお、電流注入用電極95において、電流に代えて、電圧を印加する構成としても良い。
The 2 × 2 MZI 91 includes a 2 × 2 optical coupler 92 and a 2 × 2 optical coupler 93 that split an input signal into two branches, two output optical waveguides of the 2 × 2 optical coupler 92, and a 2 × 2 optical coupler 93. The two input optical waveguides are respectively connected to two arm optical waveguides 94 having the same length. A p-type electrode serving as a
p型電極(電流注入用電極95)を介して電流が注入されると、注入電流はInGaAsPコア層33に効率的に閉じ込められ、プラズマ効果により屈折率が変化し、2つのアーム光導波路94間に位相差が与えられる。
When current is injected through the p-type electrode (current injection electrode 95), the injection current is efficiently confined in the
図10に2×2MZI91の透過特性を示す。2つのアーム光導波路94への注入電流が0mAの場合、2×2MZI91に入力された入力信号光は、図9における光出力ポートPO1側に出力される。どちらか一方のp型電極(電流注入用電極95)に電流を注入すると、注入した方のアーム光導波路94の屈折率が変化し、このアーム光導波路94を伝搬する光の位相が変化する。アーム光導波路94への注入電流が5mAとなったとき、光出力ポートPO1からの出力は最小となり、光出力ポートPO2への光出力が最大となる。このとき、光出力ポートPO1への光出力と光出力ポートPO2への光出力との比は20dB以上が得られた。 FIG. 10 shows the transmission characteristics of 2 × 2MZI91. When the injection current into the two arm optical waveguides 94 is 0 mA, the input signal light input to the 2 × 2 MZI 91 is output to the optical output port PO 1 side in FIG. When a current is injected into one of the p-type electrodes (current injection electrode 95), the refractive index of the injected arm optical waveguide 94 changes, and the phase of light propagating through the arm optical waveguide 94 changes. When the injection current into the arm optical waveguide 94 is 5 mA, the output from the optical output port PO 1 is minimum, and the optical output to the optical output port PO 2 is maximum. At this time, the ratio of the optical output to the optical output port PO 1 and the optical output to the optical output port PO 2 was 20 dB or more.
このように、本実施例の2×2MZI91において、注入電流を0mAと5mAの二つの状態、即ち、2値をデジタル的に切り替えることで、光出力ポートPO1か光出力ポートPO2の所望のポートに信号光を出力することができる。 As described above, in the 2 × 2 MZI 91 of this embodiment, the injection current is switched between the two states of 0 mA and 5 mA, that is, the two values are digitally switched, so that the optical output port PO 1 or the optical output port PO 2 has a desired value. Signal light can be output to the port.
なお、前述のとおり、2×2MZI91を動作させるためには、2つのアーム光導波路94の一方のみに電流を注入すれば良いため、p型電極(電流注入用電極95)は一方のアーム光導波路94にのみ設けるようにしても良い。 As described above, in order to operate the 2 × 2 MZI 91, it is only necessary to inject a current into one of the two arm optical waveguides 94. Therefore, the p-type electrode (current injection electrode 95) is used as one arm optical waveguide. It may be provided only at 94.
本実施例の光スイッチは、2×2MZI91の2つの光出力ポートのそれぞれに、2×2MZI91と同じ構造、同一組成を光導波層とする電界印加光吸収ゲート961、962を接続するようにしている。電界印加光吸収ゲート961及び電界印加光吸収ゲート962とも、その導波方向の長さは1000μmであり、実施例1と同様に、p+−InGaAsPコンタクト層35上には、それぞれ電界印加用電極97となるp型電極が設けられている(図3参照)。
In the optical switch of this embodiment, electric field application light absorption gates 96 1 and 96 2 having an optical waveguide layer having the same structure and the same composition as 2 × 2 MZI 91 are connected to each of two optical output ports of 2 × 2 MZI 91. I have to. Both the electric field application light absorption gate 96 1 and the electric field application light absorption gate 96 2 have a length of 1000 μm in the waveguide direction. Similarly to the first embodiment, the electric field application light absorption gate 96 1 and the electric field application light absorption gate 96 2 are respectively applied to the p + -
実施例1と同様に、電界印加光吸収ゲート961、962の電界印加用電極97にマイナス電圧を印加すると、FK効果によりInGaAsPコア層33における吸収端がシフトし、電界印加光吸収ゲート961、962を伝搬する信号光波長での吸収係数が増加する。本実施例の電界印加光吸収ゲート961、962では、図6に示したように、印加電圧−3Vで消光比20dBを得ることができる。2×2MZI91の消光比20dBと併せて、光スイッチ全体で消光比40dB以上を得ることができる。
Similarly to the first embodiment, when a negative voltage is applied to the electric
なお、電界印加光吸収ゲート961、962として、半導体光増幅器を用いて同様の機能を実現することも可能であるが、電界印加型の光吸収ゲートを用いると、パタン効果や非線形光学効果による入力信号の劣化を避けることが可能である。 The same function can be realized by using a semiconductor optical amplifier as the electric field application light absorption gates 96 1 and 96 2. However, when an electric field application type light absorption gate is used, a pattern effect or a nonlinear optical effect is obtained. It is possible to avoid the deterioration of the input signal due to.
電界印加光吸収ゲート961、962は実施例1で述べた回路により(図7(a)、(b)、図8参照)、高速動作を可能とし、又、印加電圧の切り替え動作時に電力消費が発生する回路構成によって省電力化を実現する。 The electric field application light absorption gates 96 1 and 96 2 are capable of high-speed operation by the circuit described in the first embodiment (see FIGS. 7A, 7B, and 8), and power is applied during switching operation of the applied voltage. Power saving is realized by the circuit configuration that generates consumption.
次に、電界印加光吸収ゲート961、962と同一基板上に集積する2×2MZI91の駆動回路の回路構成に関して、図11(a)、(b)を用いて説明する。図11(a)、(b)の回路構成において、分布定数線路(ここでは、LVDS)の終端には、LVDS終端回路111が設けられ、このLVDS終端回路111から、トランジスタT31(第3のトランジスタ)を有する駆動回路112(第2の駆動回路)へ制御信号が出力される。
Next, the circuit configuration of the 2 × 2 MZI 91 drive circuit integrated on the same substrate as the electric field application light absorption gates 96 1 and 96 2 will be described with reference to FIGS. In the circuit configurations of FIGS. 11A and 11B, an
駆動回路112において、LVDS終端回路111からの出力は、トランジスタT31のゲートに入力されており、トランジスタT31のドレインには電圧VD2が印加され、トランジスタT31のソースにダイオードであるアーム光導波路D31のアノードが接続されて、アーム光導波路D31のカソードに電圧VS2が印加されている。なお、このアーム光導波路D31は、図9中では、アーム光導波路94に該当する。
In the
図11(a)、(b)に示した回路構成について、その動作をより詳細に説明する。図11(a)、(b)に示した回路構成では、電圧VD2には2V、電圧VS2には0Vの電位を与え、LVDS終端回路111からの信号を用いて、トランジスタT31のゲートの開閉を行うことで、アーム光導波路D31に注入する電流を切り替える(スイッチング動作)。
The operation of the circuit configuration shown in FIGS. 11A and 11B will be described in more detail. In the circuit configuration shown in FIGS. 11A and 11B, the voltage V D2 is 2 V and the voltage V S2 is 0 V, and the signal from the
例えば、図11(a)は、トランジスタT31のゲートが閉じた状態を示す。駆動回路112には電流が流れないため、アーム光導波路D31には電流が注入されず、光は光出力ポートPO1へと出力される。それに対し、図11(b)は、トランジスタT31のゲートが開いた状態を示す。駆動回路112では、電圧VD2から電圧VS2に向かって電流が流れるため、アーム光導波路D31に電流が注入され、プラズマ効果によって屈折率が変化する。このとき、2つのアーム光導波路94間に位相差が与えられるため、光は光出力ポートPO2へと出力される。
For example, FIG. 11 (a) shows a state where the gate of the transistor T 31 is closed. Since no current flows through the driving
図12に、LVDS終端回路を含めた2×2MZI用駆動回路の回路構成の一例を示す。なお、図12においては、トランジスタT31が上述した駆動回路112を構成しており、トランジスタT41、トランジスタT42、抵抗R41、抵抗R42及び終端抵抗RTが上述したLVDS終端回路111を構成している。
FIG. 12 shows an example of a circuit configuration of a 2 × 2 MZI drive circuit including an LVDS termination circuit. In FIG. 12, the transistor T 31 constitutes the
図12に示すLVDS終端回路では、分布定数線路(LVDS)に終端抵抗RTが並列に接続され、分布定数線路の一方にトランジスタT41のゲートが接続され、分布定数線路の他方にトランジスタT42のゲートが接続され、トランジスタT41のソースがトランジスタT42のソースと接続され、トランジスタT41のドレインがトランジスタT31のドレイン及び抵抗R41の一端と接続され、トランジスタT42のドレインがトランジスタT31のゲート及び抵抗R42の一端と接続され、抵抗R41の他端が抵抗R42の他端と接続されている。 In the LVDS termination circuit shown in FIG. 12, a termination resistor RT is connected in parallel to the distributed constant line (LVDS), the gate of the transistor T 41 is connected to one of the distributed constant lines, and the transistor T 42 is connected to the other of the distributed constant lines. The gate is connected, the source of the transistor T 41 is connected to the source of the transistor T 42 , the drain of the transistor T 41 is connected to the drain of the transistor T 31 and one end of the resistor R 41 , and the drain of the transistor T 42 is connected to the transistor T 31. is the connection to the gate and one end of the resistor R 42, the other end of the resistor R 41 is connected to the other end of the resistor R 42.
図12に示す回路構成において、LVDS差動信号は1.2Vを中心とした350mV振幅の差動信号であり、トランジスタT41のゲートに1.375V印加されるとき、トランジスタT42のゲートには1.025Vが印加される。このとき、トランジスタT42のゲートは閉じており、トランジスタT42のソース、ドレイン間に電流は流れないため、トランジスタT31のゲートに電圧は発生せず、トランジスタT31のゲートが閉じた状態になる。つまり、図11(a)で説明したように、アーム光導波路D31には電流が注入されず、光は光出力ポートPO1へと出力される。一方、トランジスタT41のゲートに1.025V印加されるとき、トランジスタT42のゲートに1.375V印加され、このとき、トランジスタT42のソース、ドレイン間に電流が流れるため、トランジスタT31のゲートに電圧が印加され、トランジスタT31のゲートが開いた状態になる。つまり、図11(b)で説明したように、アーム光導波路D31に電流が注入され、光は光出力ポートPO2へと出力される。 In the circuit configuration shown in FIG. 12, LVDS differential signal is a differential signal of 350mV amplitude centered on 1.2V, when it is 1.375V applied to the gate of the transistor T 41, to the gate of the transistor T 42 is 1.025V is applied. At this time, the gate of the transistor T 42 is closed, since the source of the transistor T 42, the drain current does not flow, not generated voltage to the gate of the transistor T 31, to the state in which the gate of the transistor T 31 is closed Become. That is, as described in FIG. 11 (a), the arm optical waveguide D 31 current is not injected, the light is output to the optical output port PO 1. Meanwhile, when it is 1.025V applied to the gate of the transistor T 41, is 1.375V applied to the gate of the transistor T 42, this time, the source of the transistor T 42, a current flows between the drain and the gate of the transistor T 31 a voltage is applied to, a state in which the gate is open the transistor T 31. That is, as described in FIG. 11 (b), the current is injected into the arm optical waveguides D 31, the light is output to the optical output port PO 2.
このように、LVDS差動信号を切り替えることで、トランジスタT31のゲートの開閉を行い、光出力ポートの切り替え動作を実現する。上述したように、光スイッチ素子に対してHEMTを用いた駆動回路(インバータ回路72及び駆動回路112)をモノリシック集積することで、更には、LVDS終端回路71、111も含めて、同一基板にモノリシック集積することで、光スイッチ素子と駆動回路との距離は数ミリメートルオーダに縮小することができ(図1参照)、数GHzまでの高速信号で制御することが可能となる。
In this way, by switching the LVDS differential signals, it performs the opening and closing of the gate of the transistor T 31, to realize the switching operation of the optical output port. As described above, the driving circuit using the HEMT (inverter circuit 72 and driving circuit 112) is monolithically integrated with the optical switch element, and further includes the
なお、本実施例では、光スイッチ素子として2×2MZIを1つ用いた1×2光スイッチについて説明してきたが、図15に示したように、複数の2×2MZIをツリー状に多段接続した構成とし、最終段の光出力ポートにN個の電界印加光吸収ゲートを備えた、1×N光スイッチとしても良い。又、各種の応用的構成については、実施例1と同様に取り扱って良い。 In this embodiment, the 1 × 2 optical switch using one 2 × 2 MZI as the optical switch element has been described. However, as shown in FIG. 15, a plurality of 2 × 2 MZIs are connected in a multi-stage in a tree shape. A 1 × N optical switch having a configuration in which N electric field application light absorption gates are provided at the optical output port in the final stage may be used. Various application configurations may be handled in the same manner as in the first embodiment.
本発明は、光スイッチに好適なものである。 The present invention is suitable for an optical switch.
20 HEMT層
30 光スイッチ層
71、111 LVDS終端回路
72 インバータ回路
91 2×2MZI
961、962 電界印加光吸収ゲート
102 駆動回路集積光スイッチ
112 駆動回路
20
96 1 , 96 2 electric field application
Claims (7)
N個の前記出力光導波路に各々設けられ、2つの電極による電界の印加により、前記信号光の通過又は遮断を行う電界印加光吸収型の光ゲート素子と、
第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタのソースにドレインが接続された第2のトランジスタと、前記第1のトランジスタのソースと前記第2のトランジスタのドレインと前記光ゲート素子のアノード側の前記電極とに一端が接続され、他端が接地されたキャパシタとを有するインバータ回路で構成され、前記キャパシタを用いて、前記光ゲート素子のカソード側の前記電極との間に印加される電圧を制御するN個の第1の駆動回路とを有し、
前記入力光導波路、前記出力光導波路、前記分岐素子、前記光ゲート素子及び前記第1の駆動回路を同一の半導体基板上に集積させると共に、
前記第1の駆動回路は、前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタのゲートに入力された分布定数線路の終端回路からの制御信号に基づき、前記光ゲート素子の状態を遮断から通過に切り替えるときのみ、前記第1のトランジスタのソース、ドレイン間に電流を流し、前記キャパシタの充電を行い、充電後の前記キャパシタの一端の電位を前記光ゲート素子のカソード側の前記電極の電位と等しくし、前記光ゲート素子に電界が印加されない状態として、前記信号光を通過させる一方、前記光ゲート素子の状態を通過から遮断に切り替えるときのみ、前記第2のトランジスタのソース、ドレイン間に電流を流し、前記キャパシタの放電を行い、放電後の前記キャパシタの一端の電位を前記光ゲート素子のカソード側の前記電極の電位より低くし、前記光ゲート素子に電界が印加される状態として、前記信号光を遮断する
ことを特徴とする光スイッチ。 In an optical switch for branching signal light input to one input optical waveguide into N pieces with N being an integer of 2 or more by a branch element, and outputting from one of the N output optical waveguides.
An electric field application light absorption type optical gate element that is provided in each of the N output optical waveguides and that passes or blocks the signal light by application of an electric field by two electrodes;
A first transistor; a second transistor having a drain connected to a source of the first transistor; a source of the first transistor; a drain of the second transistor; and the anode side of the photogate element. An inverter circuit having a capacitor having one end connected to an electrode and the other end grounded, and using the capacitor, a voltage applied between the electrode on the cathode side of the optical gate element is controlled N first drive circuits that
Integrating the input optical waveguide, the output optical waveguide, the branch element, the optical gate element and the first drive circuit on the same semiconductor substrate;
The first drive circuit switches the state of the optical gate element from blocking to passing based on a control signal from a terminal circuit of a distributed constant line input to the gates of the first transistor and the second transistor. Only when a current flows between the source and drain of the first transistor to charge the capacitor, the potential of one end of the capacitor after charging is made equal to the potential of the electrode on the cathode side of the photogate element. In the state where no electric field is applied to the optical gate element, the signal light is allowed to pass, and only when the state of the optical gate element is switched from passing to blocking, a current is passed between the source and drain of the second transistor. The capacitor is discharged, and the electric potential of one end of the capacitor after the discharge is changed to the electric potential of the electrode on the cathode side of the photogate element. And lower, in a state where an electric field is applied to the optical gate device, an optical switch according to claim <br/> blocking the signal light.
前記分岐素子は、1入力N出力の光カプラである
ことを特徴とする光スイッチ。 The optical switch according to claim 1 ,
The branching element is a 1-input N-output optical coupler.
前記分岐素子は、少なくとも1つの2入力2出力MZI(Mach Zehnder Interferometer)からなると共に、複数の前記2入力2出力MZIからなる場合には、前段の前記2入力2出力MZIの2つの光出力ポートの各々に後段の前記2入力2出力MZIの2つの光入力ポートの一方が接続されて、複数の前記2入力2出力MZIがツリー状に多段に接続された構成である
ことを特徴とする光スイッチ。 The optical switch according to claim 1 ,
The branch element includes at least one two-input two-output MZI (Mach Zehnder Interferometer). When the branch element includes a plurality of the two-input two-output MZI, two optical output ports of the two-input two-output MZI in the previous stage One of two optical input ports of the latter two-input two-output MZI is connected to each of the plurality of two-input two-output MZIs, and a plurality of the two-input two-output MZIs are connected in multiple stages in a tree shape. switch.
前記2入力2出力MZIの2つのアーム光導波路の少なくとも一方に設けた電極に対して電流又は電圧を付与する、第3のトランジスタを用いた第2の駆動回路を更に有し、
前記第2の駆動回路を更に前記半導体基板上に集積すると共に、
前記第2の駆動回路は、前記分布定数線路の前記終端回路からの前記制御信号により、前記第3のトランジスタのゲートをオン又はオフ動作させる
ことを特徴とする光スイッチ。 The optical switch according to claim 3 ,
A second drive circuit using a third transistor for applying a current or a voltage to an electrode provided on at least one of the two arm optical waveguides of the two-input two-output MZI;
And further integrating the second drive circuit on the semiconductor substrate;
The optical switch, wherein the second drive circuit turns on or off the gate of the third transistor according to the control signal from the termination circuit of the distributed constant line.
前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタは、HEMT(High Electron Mobility Transistor)である
ことを特徴とする光スイッチ。 The optical switch according to any one of claims 1 to 4 , wherein:
The optical switch, wherein the first transistor and the second transistor are HEMTs (High Electron Mobility Transistors).
前記分布定数線路は、LVDS(Low Voltage Differential Signaling)である
ことを特徴とする光スイッチ。 The optical switch according to any one of claims 1 to 5 ,
The distributed switch is an LVDS (Low Voltage Differential Signaling).
前記終端回路を更に前記半導体基板上に集積した
ことを特徴とする光スイッチ。 The optical switch according to any one of claims 1 to 6 ,
An optical switch, wherein the termination circuit is further integrated on the semiconductor substrate.
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